Application de la nanotechnologie pour le traitement d`eau

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Applications de la nanotechnologie :

Les applications de la nanotechnologie sont variées et de grande envergure, car elle permet aux humains de faire des produits utiles et efficaces et concevoir des procédés de fabrications dans un domaine quelconque. À l’heure actuelle, la nanotechnologie a fait des incursions dans les produits de consommation comme les souris, des tapis, des sacs et conteneurs de stockage, des purificateurs d’air, les pansements, les clubs de golf, la crème solaire, de protection et des vêtements résistant aux taches, des puces d’ordinateur, et d’autres secteurs comme : les industries automobiles et aéronautiques ,les industries de l’électroniques et des communications , les industries pharmaceutiques, des biotechnologies et des soins de santé….etc [6 ].

Les nanomatériaux :

Un nanomatériau est un matériau compose ou constitue de nano-objets (leur taille est comprise entre 1 et 100 nm) qui présentent des propriétés spécifiques de l’échelle nanométrique. Ces nano-objets peuvent se présenter sous la forme de particules, de fibres ou tubes, de couches minces ou de constituants structurels [7].

Application de la nanotechnologie pour le traitement d`eau :

Les nanotechnologies présentent de nouvelles perspectives et de nouveaux défis pour les gouvernements. Elles devraient avoir un large éventail de retomber positives,et notamment contribuer à apporter des solutions à une large gamme de problèmes pour la société et l’environnement, s’agissant notamment de l’approvisionnement en énergie renouvelable et en eau potable, de l’amélioration de la santé et de l’espérance de vie ou de la protection de l’environnement [8].
Partout dans le monde, la baisse des approvisionnements en eau et la qualité de l’eau, qui ne cesse de se détériorer, sont à la base des innovations réalisées dans le domaine des technologies de traitement de l’eau.
La nanotechnologie est une technologie clé dans la mesure où elle contribue à améliorer un grand nombre d’applications, depuis les systèmes de dessalement de l’eau de mer à grande échelle aux filtres d’eau domestiques ou encore les filtres d’élimination de l’arsenic [9].
Au vu de l`importance des nanomatériaux et leurs rôle précieux pour la préservation des milieux naturels, notre travail consiste en l’élaboration d’un nanomatériau à base de dioxyde de titane et la mise en œuvre de la dégradation d`une substance organique susceptible de contaminer les ressources d`eau.
Les nanocatalyseurs devant leur capacité catalytique optimisée à leur taille nanométrique, au lieu de transformer les polluants, ils peuvent les dissoudre chimiquement (minéralisation) [10].
Le nanocatalyseur est utilisé sous forme de NANORODS, sont des particules de taille nanométrique (1 à 100 nm). Ils sont synthétisés à partir de métaux ou de matériaux semi-conducteurs par synthèse chimique directe.
Les NANORODS ont une structure cristalline particulière et poreuse, de différentes taille de pores selon l`échelle suivante [11] :
NANORODS microporeux : largeur inferieure à 2 nm.
NANORODS mésoporeux : largeur comprise entre 2 et 50 nm.
NANORODS macroporeux : largeur supérieure à 50 nm.

Description du procédé :

L `appellation Sol-Gel est une contraction des termes «Solution -Gélification».Ce processus est une technique par voie humide (dépôt chimique en solution), pour la fabrication des matériaux typiquement un oxyde de métal à partir d`une solution chimique qui réagit pour produire les particules colloïdales [4].
Avant que l`état de gel ne soit pas atteint, le système est dans l`état liquide, il est constitué d`un mélange d`oligomères colloïdaux et de petites macromolécules ainsi que selon le degré d`avancement de la réaction de polymérisation, de différents monomères partiellement hydrolysés. Cette dispersion stable de particules colloïdales au sein d`un liquide est appelée «Sol», les particules ont typiquement un diamètre de 1 -100nm. La stabilité rhéologique de cette dispersion est généralement assurée par la présence d`une charge électrique de surface et est imposée par les conditions catalytiques du milieu réactionnel (stabilité par effet électrostatique) [5].
Le gel est constitue d`un réseau d`oxyde gonflé par le solvant avec des liaisons chimiques assurant la cohésion mécanique du matériau en lui donnant un caractère rigide, non déformable. Le temps nécessaire au «Sol» pour se transformer en «Gel» est appelé temps de gel (ou point de gel).
Il existe deux voies de synthèse Sol-Gel qui sont : [3].

Voie inorganique ou colloïdale :

Obtenue à partir de sels métalliques (Chlorure, nitrate…) en solution aqueuse. Cette voie est peu chère mais difficile à contrôler c`est pour cela qu’elle est encore très peu utilisée. Toutefois c`est la voie privilégiée pour obtenir des matériaux céramiques.

Voie métallo-organique ou polymérique :

Obtenue à partir d`alkoxydes métalliques dans des solutions organiques. Cette voie est relativement coûteuse.

Principe du procédé Sol-Gel :

Le principe de base du procédé Sol-Gel est le suivant : une solution à base de précurseurs en phase liquide, se transforme en un solide par un ensemble de réactions chimiques de type polymérisation à une température ambiante.
La solution de départ est constituée en général par un précurseur, un solvant (en général un alcool), parfois un catalyseur et de l`eau, le choix du solvant et du catalyseur est alors dicté par les propriétés chimiques du précurseur. Ce dernier étant le composé central de la solution.

Les précurseurs :

L`agent précurseur n` est pas une molécule seule, mais plutôt un auto-assemblage de molécules. Les précurseurs les plus souvent utilisés pour la synthèse qui s`effectuer à partir d`alcoolates, sont des alkoxydes métalliques de formule M(OR) n ou M désigne le métal de valence, n et R une chaine alkyle de type (-Cn H 2n+1) .Il peuvent être d`une grande pureté. Un des intérêts de ce procédé est que ces précurseurs existent pour un grand nombre de métaux et non-métaux, ils sont soit liquides, soit solides, dans ce cas ils présentent une solubilité élevée dans une grande variété de solvants organiques.

Mécanismes réactionnels :

Les réactions chimiques simples à base du procédé sont déclenchées lorsque les précurseurs sont mis en présence d’eau, l`hydrolyse des groupements alkoxy intervient tout d`abord, puis la condensation des produits hydrolysés conduits à la gélification du système.

L`hydrolyse :

Pour que les alkoxydes puissent condenser à température ambiante, l`hydrolyse des groupements –OR doit débute le processus réactionnel. Cette étape est nécessaire pour donner naissance aux groupements hydroxydes –OH : M-(OR) n + H2O HO-M-(OR) n-1+R-OH (II-1)
L`hydrolyse est une substitution nucléophile d`un ligand –OH à un ligand-OR, elle s`accompagne d`une condensation d`eau et d`une libération d`alcool, au cours de cette étape, on crée la fonctionnalité du précurseur vis-à-vis de la polymérisation.

la condensation :

Les groupements –OH générés au cours de l`hydrolyse sont de bons nucléophiles et vont au cours de la condensation, entrainer la création des ponts M-O-M : (OR) n-1 –M-O-M +RO-(OR)n-1 (OR)n-1 –M-O-M-(OR) n-1 +R-OH (II-2)
Lorsque ces deux réactions sont achevées (hydrolyse et condensation), on obtient un gel.

Domaines d`applications du procédé Sol-Gel :

La méthode Sol-Gel est largement utilisée depuis des dizaines d`années dans différents secteurs .Elle a démontré de nombreux avantages pour la fabrication des couches minces optiques, et pour le traitement de lentilles ophtalmiques. Cependant, la matrice de la taille des particules à partir des précurseurs organiques ou inorganiques est plus récente, et elle a connu au cours des dernières décennies un très grand développement au niveau académique et surtout au niveau industriel [9]. Les demandes de produits gels dérivés sont nombreuses telles que dans le domaine de mécanique (anticorrosion, formation des couches hydrophobes, couches barrières…) ,dans la production des peintures et vernis ,même en biologie, pour le greffage moléculaire ,encapsulation, en chimie pour la catalyse et autres , en électronique, la cosmétique ,et médical ….etc[1].
En effet la technique Sol-Gel est utilisée dans les applications de revêtements sur différents types de substrats (verre, métal…) pour la fabrication de céramique dense [10].
Cette technique est largement utilisée aussi pour la fabrication des combustibles nucléaires dans les années 1960 [4.11].

Avantages et inconvénients :

Les atouts de la méthode Sol-Gel résident dans le fait que les produits finaux peuvent être très purs, si le précurseur lui-même a été purifié .D`autre part, le processus chimique est mené à basse température, on parle de chimie douce, ce qui permet un meilleur contrôle de la cinétique de la réaction.
La souplesse de ce dernier favorise de mettre la préparation de produit de même composition sous diverses formes radicalement différentes comme des poudres, des fibres, revêtements… [12.13]. Ce procédé présente l`avantage d`être peu coûteux de pouvoir contrôler parfaitement la stœchiométrie et d`assurer une grande pureté de matériaux réalisés aussi que conduit à un produit pur et homogène à faible température [14].
Cette nouvelle voie de synthèse par ce procédé a été souvent utilisée pour les avantages qu` elle a pu offrir :
*Mise en œuvre facile et simple.
*dépôt d`une grande surface.
*utilisation des substrats souples ou organiques.
Quelques inconvénients tels que :
*Le temps de processus est parfois long
*la maitrise du procédé souvent délicate.
Ces derniers points font actuellement le procédé Sol-Gel reste d`un emploi marginal dans l`industrie commerciale [11.3].

Propriétés de TiO2 :

Le dioxyde de titane est un produit réfractaire, possède une température de fusion de 1892 Cº sous l`oxygène et de 1843 Cº sous l`air, il est stable dans les conditions normales, inodore, et incombustible et n`est pas un comburant.Son numéro d`inscription CAS est 13463-67-7, classé parmi les bons absorbeurs d` irradiation UV [4]. Il est également connu sous les noms suivants : anatase, brookite, rutile, oxyde titanique, anhydride titanique, bioxyde de titane, peroxyde de titane et le blanc de titane.

Le dioxyde de titane a-t-il des effets nocifs sur la santé humaine?

Des concentrations élevées de poussières de dioxyde de titane peuvent causer de la toux et une irritation temporaire. L`inhalation à long terme des fortes teneurs de ce produit sous forme de poudre ou particules ultrafines peut provoquer une bronchite chronique, avec une inflammation des voies respiratoires, fibrose, et des modifications des cellules alvéolaires, en outre l`exposition exhibe un écoulement de mucus dans le nez.

Le dioxyde de titane comme agent dans la photocatalyse :

Au coté des propriétés de pigment blanc des variétés anatase et rutile, le dioxyde de titane est utilisé en catalyse comme photocatalyseur pour la purification de l`air, et la dépollution de l`eau, dans les cellules solaires pour la production d`hydrogène et d`électricité …etc. [10.11.12]
En raison de ses potentialités d`applications dans le domaine de la protection de l`environnement et à ses caractéristiques les plus intéressantes, il est inerte, bon marché, peu sensible aux phénomènes de corrosion, de plus il présente des propriétés d`oxydoréduction avantageuses : le potentiel redox élevé de la bande de valence (+3.2 eV) favorise les transferts d`électrons des substances adsorbées vers le semi conducteur et le potentiel de la bande de conduction légèrement négatif (-0.1 eV) permet de réduire les protons ou l`O2 , il est apparait comme le plus intéressant candidat dans la technique photocatalytique. [13.14]
L’oxydation des contaminants organiques récalcitrants par la photocatalyse hétérogène, tel le procédé TiO2/UV, a été l’objet de nombreuses études depuis quelques années (Carraway et al ,1994) [15] et (Maugans et Akgerman ,1997) [14]. Une excellente revue bibliographique est d’ailleurs parue concernant les applications des semi-conducteurs en photocatalyse (Hoffmann et al. 1995).La notion de la photocatalyse est étroitement associée au matériau dioxyde de titane sous sa variété cristallographie anatase.

Principe de la spectroscopie Raman :

Le principe de la spectroscopie Raman est relativement simple. Il consiste à envoyer une lumière monochromatique sur l`échantillon à étudier et analyser la lumière diffusée. En effet, la diffusion d`une radiation monochromatique par des molécules entraine l`apparition de radiations de faibles intensités dont les fréquences sont différentes de celle de la radiation incident. Ces changements de fréquence, liés aux énergies vibratoires et rotationnelles des molécules, sont propres à chaque molécule et donc l`intensité du rayonnement diffusé est caractéristique du matériau. [3].

Caractéristiques de la spectroscopie Raman :

La technique microspectroscopie Raman confocale est une méthode d`analyse sensible, rapide, non destructive et ne nécessitant aucune préparation pour l`échantillon, elle permet l`étude sélective de très petits échantillons de quelques dizaine de µm [7].
Cette technique est un outil de caractérisation particulièrement puissant en physique et chimie des matériaux, elle présente cependant plusieurs avantages qui la distingue des autres techniques vibrationnelles tels que : [8]
*elle est facile à mettre en œuvre : le temps de préparation est nul ou quasi nul. La nature de l`échantillon solide, liquide, ou gazeuse n’intervient pas.
*elle peut être couplée avec d`autres méthodes analytiques et offre la possibilité de mesure in situ de réactions.
* l`utilisation de cellules en verre est possible car le verre est transparent dans les domaines spectraux concernés, et son spectre Raman est très faible [9].
*La présence de l`eau n`est pas gênante car l`eau diffuse très peu en Raman, et aussi les spectres Raman peuvent être employés pour mesurer des bandes des liaisons symétriques qui sont faibles dans le spectre Infrarouge [10].
Devant toutes ces qualités, l`un des point apparait comme un inconvénient de cette technique, c`est la présence de composés fluorescents gênent l`analyse, ils donnent un fond continu recouvrant les autres raies sur les spectres Raman, il faut donc effectuer une opération supplémentaire pour les supprimer avant chaque analyse [11].

Structure d`un spectrophotomètre Raman :

Un ensemble de microspectroscopie Raman combine un microscope confocal, une source laser, un spectrographe et un système de pilotage, d`acquisition et de traitement des données.
Les radiations d`une source laser puissante sont conduites dans une fibre optique jusqu` à l`échantillon à analyser et provoquent son excitation, la lumière produite est recueillie par un capteur puis acheminée par une fibre optique jusqu`au séparateur, couplé à un détecteur celui-ci fournit alors des données sur l`échantillon qui n`ont plus qu’à être traitées informatiquement [9].

Les domaines d`applications : 

Ce phénomène s`agit d`un procédé de large spectre d`application conduisant à une dégradation totale ou partielle des polluants et donc une dispersion complète de la toxicité.
La minéralisation de nombreux composés organiques en phase fluide ou liquide est alors possible ce qui laisse un grand champ d`application.
La photocatalyse utilisée dans le domaine du traitement de l`eau, de l`air.
Ce Procédé est applicable dans de nombreux secteurs :
revêtement autonettoyant de purification.
potabilisation de l`eau.
permet également d`éliminer les odeurs.
désintoxique les eaux de rinçage du matériel agricole.
décoloration d`effluents aqueux colorés (industrie textile).
limitation de la prolifération bactérienne en milieu hospitalisé et médical.

Les avantages et les inconvénients de la photacatalyse :

Cette technique alternative est très intéressante pour la dégradation des polluants organiques non biodégradables, elle est beaucoup plus efficace que les techniques habituelles de floculation, précipitation, et autres, parmi les avantages majeurs que possède la technique photocatalytique :
*Une majorité de composés organiques et minéraux peuvent être dégradés.
*le processus photocatalytique à un effet bactéricide, en cumulant l`action des UV avec celle de la photocatalyse.
*La réaction photocatalytique à lieu à une température et pression ambiante.
*la mise en œuvre est simple et économique, de plus elle ne nécessite q`un faible encombrement, ce qui la rend utilisable dans des espaces restreints.
*la mise en œuvre est simple et économique, de plus elle ne nécessite q`un faible encombrement, ce qui la rend utilisable dans des espaces restreints.
Et comme tout procédé la photocatalyse possède des points faibles tels que :
*la diminution de l`activité photocatalytique due au dépôt sur la surface de photocatalyseurs ; d`espèces minérales, il faut donc régénérer périodiquement les catalyseurs.
*la formation des produits intermédiaires.
*le procédé a besoin de la lumière pour se réaliser.

Table des matières

Introduction générale
Références bibliographiques
Étude bibliographique :
Chapitre I: Matériaux et les nanotechnologies.
I .1. Introduction
I .2. Les nanotechnologies
I .3. Applications de la nanotechnologie
I .4. Les nanomatériaux
I .5. Application de la nanotechnologie pour le traitement d`eau
I .6. Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre II: Procédé Sol-Gel
II .1. Introduction.
II .2. Description du procédé
II .2.1.Voie inorganique ou colloïdale
II .2.2. Voie métallo-organique ou polymérique
II .3. Principe du procédé Sol-Gel
II .3.1. Les précurseurs
II .4. Mécanismes réactionnels
II .4.1. L`hydrolyse
II .4.2. La condensation
II .5. Domaines d`applications du procédé Sol-Gel
II .6. Avantages et inconvénients
II .7. Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre III: Caractéristiques de dioxyde de titane.
III .1. Généralité
III.2. Propriétés de TiO2
III.3. Les différentes formes de dioxyde de titane.
III.3.1. le rutile
III.3.2. L`anatase.
III. 3.3. La brookite.
III .4. Les procédés d`élaboration de dioxyde de titane.
III .4.1 .Procédé sulfurique
III .4.1 .Procédé chlorure
III .5. Le dioxyde de titane a-t-il des effets nocifs sur la santé humaine ?
III .6. Le dioxyde de titane comme agent dans la photocatalyse
III .7. Conclusion
Références bibliographiques
Chapitre IV: Méthodes de caractérisations.
IV .1. Spectroscopie Raman
IV .1.1. Introduction
IV .1.2. Principe de la spectroscopie Raman
IV .1.3. La dispersion Raman.
IV .1.4 .Applications de la spectroscopie Raman
IV .1.5. Caractéristiques de la spectroscopie Raman
IV .1.6. Structure d`un spectrophotomètre Raman.
IV. 7. Conclusion
Références bibliographiques
IV .2. Spectroscopie FTIR
IV .2.1. Introduction
IV.2.2. Principe
IV .2.3. Exemples d`utilisations de la technique.
IV.2.4 Conclusion
Références bibliographiques.
Chapitre V : La photocatalyse.
V.1. Généralité
V.2.Définition de la photocatalyse
V.3. Principe de la technique
V.4. Les domaines d`applications
V.5. Les avantages et les inconvénients de la photacatalyse
V.6. Matériaux de la technique photocatalytique
V.6.1.photocatalyseur.
V.6.1.1. Qu`est ce qu`un catalyseur?
V.6.2. Source de lumière
V.7. L`avenir de la photocatalyse
Références bibliographiques
Chapitre VI : Caractéristiques du Pentachlorophénol.
VI .1.Généralité
VI .2.Propriétés physiques et chimiques
VI .3. Origine et les différentes sources d`émission de pentachlorophénol
VI .4.Utilisation du pentachlorophénol
VI .5. Les effets toxiques du pentachlorophénol
VI .5.1.Généralité
VI.5.2. Effets sur la santé humaine
VI.5.3. Effet sur l`environnement
VI.6. Valeurs limites d`exposition au pentachlorophénol
VI.7. Interdiction et solution de remplacement
Références bibliographiques
Étude expérimentale :
VII.1. L`objectif du travail
VII. 2. Choix du matériau
VII. 3. Préparation d`échantillon
VII. 3.1. Traitement thermique de l`échantillon
VII. 3.2. Mécanisme de synthèse des NANORODS
VII. 3.3. Caractérisation du matériau
VII. 3.3. 1. Caractérisation par spectroscopie Raman
VII. 3.3.2. Caractérisation par spectroscopie Infrarouge á Transformée de Fourier
VII. 3.3.3 .Caractérisation par BET
VII. 4. Expérience photocatalytique
VII. 4.1. Réacteur
VII. 4.2. Source de lumière
VII. 5. Méthode de dosage
VII. 6. Résultats et discussions
VII. 6.1.Caractérisation du matériau
VII. 6.2. Caractérisation du NANORODS par Spectroscopie Raman
VII. 6.2.1.Caractérisation de la poudre brute
VII. 6.2.2.Caractérisation de TiO2 NANORODS après traitement thermique
VII. 6.3.Estimation de la taille de particules
VII. 6.4.Caractérisation des NANORODS par Spectroscopie FTIR
VII 6.5.Analyse par méthode BET
VII. 7-Résultats et discussions de la dégradation photocatalytique
VII. 7.1.Dégradation de PCP sans catalyseur
VII. 7.2.Dégradation de PCP à la présence deTiO2
VII. 8.Effet des facteurs influent sur l`activité photocatalytique
VII. 8.1.Influence de la température de cristallisation du semiconducteur
VII. 8.1.1.Mécanisme de dégradation
VII. 8.2.Photodégradation à la présence d`anatase et de rutile
VII. 8.3.Effet de l’intensité du flux lumineux
VII. 8.4. Effet du pH de la solution.
VII. 8.5.Évaluation de l`efficacité photocatalytique de TiO2 NANORODS.
VII .8.5.1Aperçus sur les deux substrats.
VII. 8.5.2.Dégradation du Méthyle orange (MO) et Cristal violet (CV) sous irradiation UVA á l`absence de TiO2
VII. 8.5.3.Pouvoir catalytique de TiO2 NANORODS sur la dégradation des colorants
VII. 8.6.Utilisation des matériaux nanocomposites pour la dégradation de PCP
VII. 8.6.1. Objectif de l`expérience
VII. 8.6.2.Caractérisation du matériau
VII. 8.6.3. Caractérisation de gel à l`état brut
a) par spectroscopie Raman
b) Caractérisation par FTIR
-9-Tables des matières
VII. 8.6.4.Caractéristiques des NANORODS TiO2 – SiO2 après traitement thermique
a) par spectroscopie Raman
b) Caractérisation par FTIR
VII. 8.7.Processus photocatalytique
VII. 8.7.1Résultats et discussions.
Références bibliographiques
Conclusion générale

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